Norheim-Martinsen har doktorgrad i internasjonale studier fra University of Cambridge. Han var viserektor for forskning og utvikling ved OsloMet – Storbyuniversitetet 2019-2023, førsteamanuensis ved Forsvarets høgskole, forsker ved Institutt for forsvarsstudier (IFS), forskningsleder ved Fafo, forsker I og forsker II ved Forsvarets forskningsinstitutt (FFI), samt som høgskolelektor ved Krigsskolen.